影响光学玻璃超精密磨削表面质量因素分析.doc

分析了脆性材料在超精密磨削过程中影响表面质量的各种主要因素。然后针对影响光学镜片已加工表面质量的各种主要因素做了大量的实验研究，并给出了合理的加工工艺参数选用原则。
一、前言：超精密磨削是近年来发展起来的最高加工精度、最小表面粗糙度的砂轮磨削方法，一般是指加工精度达到或高于0.1μm，表面粗糙度小于0.025μm,是一种亚微米级的加工方法，并正向纳米级发展。超精密磨削的发展远比超精密金刚石车削缓慢，金刚石刀具超精密切削技术的研究比较成熟，但是金刚石刀具不宜切削陶瓷、玻璃等硬脆，因为在微量切削陶瓷、玻璃时，切应力很大，临界剪切能量密度也很大，切削刃处的高温和高应力使金刚石产生较大的机械磨损。因此，对于陶瓷、玻璃等硬脆材料，超精密磨削显然是一种重要的理想的加工方法，这就促进了超精密磨削的发展。随着科学技术的不断发展，脆性材料如各种光学玻璃、单晶硅、微晶玻璃及陶瓷等在航空、航天及军用设备中应用得越来越广泛，而且对零件表面质量要求极高。为了获得高质量的脆性材料零件加工表面，常采用超精密磨削、研磨及抛光等方法。然而研磨及抛光等方法加工脆性材料时不可避免地具有生产效率低，加工表面的面形精度不高等缺点。年来，超精密磨削加工技术得到了极大发展，它能大大地提高零件的加工精度和加工效率。但是，对于脆性材料的磨削加工，材料的去除方式将对已加工表面质量产生很大的影响，根据脆性材料磨削加工的最新研究表明尽管脆性材料有很大的脆性，但在选择适当的参数条件下脆性材料仍能以塑性去除的方式进行磨削加工，脆性材料的塑性方式磨削加工能极大地提高零件的加工表面质量。
二、影响超精密切削表面质量的主要因素及其影响规律
2.1主要因素
(1) 金刚石砂轮平均磨粒尺寸
(2) 砂轮磨削速度
(3) 进给量
(4) 磨削深度
2.2实验探究各因素影响规律
2.2.1超精密磨床
   超精密磨床的磨头主轴采用空气轴承主轴，磨头主轴最高转速为80 kr/min，回转精度为0.1 μm;工件主轴是采用气浮轴承主轴，其回转精度为0.05μm，并且主轴有很高的刚度和振动吸收率。该机床的磨削深度能控制到0 .1 μm之内。在磨削过程中，采用高压、大流量冷却液对工件进行冷却。
2.2.2磨削砂轮、磨削参数及检测仪器
在试验中我们采用树脂粘接的金刚石砂轮，砂轮直径为8 mm，金刚石砂轮的平均磨粒尺寸分别为40μ m,28 μm,20 μm,14μm,10μ m,7 μm及2 .5μ m等7种。金刚石砂轮是采用Gc400型修整器在砂轮圆周速度v9 = 160 m/min、修整器速度= 0.8m/min、切削深度= 1μm的参数条件下进行修整。
试验材料选用的是光学玻璃(K9)，拟采用的磨削参数为。= 1200 m/min, f =0 -200 μm/r, =0.1-10μm的磨削条件下对之进行磨削加工。
磨削表面则是用DI公司的Nanoscope III a,Dimension 3100型扫描探针显微镜进行观察并用它测量该磨削加工表面的表面粗糙度及表面轮廓。
2.2.3试验结果与讨论
首先我们用K9进行磨削试验，当采用以上7种不同平均磨粒尺寸的金刚石砂轮并在=1200m/min,f=3 μm/r,= 1 μm的磨削条件下对之进行磨削加工。加工完毕后，该K9样品用NanoscopeIIIa, Dimension 3100型扫描探针显微镜进行观察，从观察中得知，在磨削过程中存在着三种磨削模式:断裂模式、断裂和塑性模式、塑性模式，如图1所示。其磨削后的砂轮平均磨粒尺寸与表面粗糙度的关系如图2所示，从图中可明显看出，砂轮平均磨粒尺寸对表面粗糙度有很大的影响。试验还表明，在其他磨削条件不变的情况下，只有采用平均磨粒尺寸低于20 μm的金刚石砂轮才能获得塑性域的超精密磨削加工。

然后用平均磨粒尺寸为2.5μm的金刚石砂轮，并在磨削参数f = 1 μm/r、= 1μm不变的情况下，只改变砂轮速度对光学玻璃(K9)进行磨削加工。磨削后砂轮速度与表面粗糙度的关系如图3所示。从图中可看出，表面粗糙度随砂轮速度的改变其变化幅度明显小于平均磨粒尺寸对表面粗糙度的影响。

   图4是表面粗糙度与进给量之间的关系图。它是采用2.5μm的金刚石砂轮在磨削参数= 20m/ s, = 1 μm不变的情况下，只改变进给量f的大小，对光学玻璃(K9)进行磨削加工后用NanoscopeIIIa, Dimension 3100型检测而得。从图中可以看出，进给量对表面粗糙度的影响程度与砂轮速度相差不多，均明显小于平均磨粒尺寸对表面粗糙度的影响。

   图5则是表面粗糙度与磨削深度之间的关系图。它是采用平均磨粒尺寸为10 μm的金刚石砂轮在磨削参数=20 m/s, f = 1 μm/r不变的情况下，只改变磨削深度的大小，对光学玻璃(K9)进行磨削加工后用NanoscopeIII a, Dimension 3100型检测而得。从图中可以看出，磨削深度对表面粗糙度的影响是比较小的，它对表面粗糙度的影响要小于砂轮速度及进给量对表面粗糙度的影响。对于微晶玻璃(GC1 )来说，当采用平均磨粒尺寸为2.5 μm金刚石砂轮并在=1 200 m/min, f =3 μm/r, = 1 μm条件下进行的磨削时，此时微晶玻璃表面处于塑性域磨削模式，图6和图7给出了磨削后用Nanoscope IIIa, Dimension 3100型扫描探针显微镜测得的微晶玻璃显微图形及其表面形貌，所测得的微晶玻璃表面粗糙度值为rms : 8 . 021 nm , : 6.200nm，其表面粗糙度值优于用抛光方法加工的光学表面

三、合理的加工工艺参数选用原则
   (1)金刚石砂轮的平均磨粒尺寸是影响磨削表面粗糙度的一个很重要的因素，采用平均磨粒尺寸小于20 μm的金刚石砂轮进行磨削，可使光学玻璃在塑性模式下进行磨削加工，从而消除表面的裂纹缺陷。
   (2)磨削表面粗糙度是砂轮速度及进给量的一个函数，它们对表面粗糙度的影响要明显小于砂轮平均磨粒尺寸对表面粗糙度的影响。
   (3)磨削深度对已加工零件的表面质量影响最小，当脆性材料在塑性域进行磨削加工时，磨削对表面粗糙度基本上没有影响，因而可综合砂轮磨损情况、工作效率等因素选择一个合适的磨削深度。
   (4)利用平均磨粒尺寸为2.5 μm的金刚石砂轮进行磨削加工，能够加工获得表面粗糙度为rms：8.021 nm,:6.200 nm的超光滑表面。
参考文献：
（1） 袁哲俊、王先逵等.精密和超精密加工技术.机械工业出版社.2006
（2） 陈明君、董申等.脆性材料超精密磨削时影响表面质量因素的研究.哈尔滨工业大学精密工程研究所.2001